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真空镀膜机的结构

高真空镀膜机是目前制作真空条件应用最为广泛的设备。其相关组成各部件:机械泵、增压泵、油扩散泵、冷凝泵、真空测量系统。

一、真空主体—真空腔

根据加工产品要求的不同,真空腔的大小也不一样,目前应用最多的有直径1.3m、0.9m、1.5m、1.8m等,腔体由不锈钢材料制作,要求不生锈、坚实等,真空腔各部分有连接阀,用来连接各抽气泵浦。

辅助抽气系统

此排气系统采用:扩散泵+机械泵+罗茨泵+低温冷阱+polycold组成

排气流程为:机械泵先将真空腔抽至小于2.0x10-2PA左右的低真空状态,为扩散泵后继抽真空提供前提,之后当扩散泵抽真空腔的时候,机械泵又配合组成串联,以这样的方式完成抽气动作。

排气系统为镀膜机真空系统的重要部分,主要由机械泵、增压泵(主要为罗茨泵)、油扩散泵三大部分组成。

机械泵:也叫前级泵。是应用最为广泛的一种低真空泵,它随时用油来保持密封效果并依靠机械的方法不断的改变泵内吸气空腔的体积,使被抽容器内气体的体积不断膨胀从而获得真空。

机械泵常常被用来抽除干燥的空气,但不能抽除含氧量过高、有爆炸性和腐蚀性的气体,机械泵一般被用来抽除永久性的气体,但是对水气没有好的效果,所以它不能抽除水气。旋片泵中起主要作用的部件是定子、转子、弹片等,转子在定子里面但与定子不同心轴,象两个内切圆,转子槽内装有两片弹片,两弹片中间装有弹簧,保证了弹片紧紧贴在定子的内壁。

弹片交替起着两方面的作用,一方面从进气口西京气体,另一方面压缩已经吸进的气体,将气体排出泵外。转子每旋转一周,泵完成两次吸气和两次排气。当泵连续顺时针转动时,旋片泵不断的通过进气口吸入气体,又从排气口不断的排出泵外,实现对容器抽气的目的。为了提高泵的极限真空度,均将泵的定子浸在油里面,在各处的间隙中及有害空间经常保持足够的油,把空隙填满,所以油一方面起到了润滑作用,另一方面又起了密封和堵塞缝隙及有害空间的作用,防止气体分子通过各种渠道反流到压强低的空间去。

机械泵是从大气开始工作,它的主要参数有极限真空、抽气速率,此为设计与选用机械泵的重要依据。单级泵可以将容器从大气抽到1.0x10-1PA的极限真空,双级机械泵可以将容器从大气抽到6.7x10-2PA,甚至更高。

机械泵排气的效果还与电机的转速及皮带的松紧度有关系,当电机的皮带比较松,电机转速很慢时候,机械泵的排气效果也会变差,所以要经常保养、点检,机械泵油的密封效果也需要常常点检,油过少,达不到密封效果,泵内会漏气,油过多,把吸气孔堵塞,无法吸气和排气,一般,在油位在线下0.5cm即可。

增压泵又叫罗茨泵:它是具有一对同步高速旋转的双叶形或多叶形转子的机械泵,由于它的工作原理与罗茨鼓风机相同,所以又可以叫罗茨真空泵,次泵在100-1PA压强范围内有较大的抽气速度,它弥补了机械泵在此范围内排气能力不足的缺点,此泵不能从大气开始工作,也不能直接排出大气,它的作用仅仅是增加进气口和排气口之间的压差,其余的则需要机械泵来完成,因此他必须配以机械泵作为前级泵。

油扩散泵:机械泵的极限真空只有10-2PA,当达到10-1PA的时候,实际抽速只有理论的1/10,如果要获得高真空的话,必须采用油扩散泵。

油扩散泵的应用压强范围是10-1PA至10-7PA,它是利用气体的扩散现象来排气,它具有结构简单,操作方便,抽速大等特点。油扩散泵主要由泵壳、喷嘴、导流管和加热管组成,里面主要添加扩散泵油,上部为进气口,右侧旁下部为出气口,在工作时出气口由机械泵提供前置压强,机械泵充当前置泵。

当扩散泵的油被电炉加热时,产生的油蒸汽提供前置压强,机械泵充当前置泵。当扩散泵油被电炉加热时,产生的油蒸汽沿着导流管经伞形喷嘴向下喷出。因喷嘴外面有机械泵提供的1x10-1PA的真空,故油蒸汽可喷出一段距离,构成一个向出气口方向运动的射流。射流最后碰上由冷却水冷却的泵壁,凝结为液体,流回蒸发器,即靠油的蒸发—喷射—凝结,重复循环来实现抽气的。

由进气口进入泵内的气体分子,一旦落入蒸汽流中,便获得向下运动的动量,向下飞去,由于射流具有高的流速,高的蒸汽密度,且扩散泵油具有高的分子量故能有效的带走浓度差,正是因为这个浓度差被抽气体能不断的越过界面,扩散进入射流中,被带往出口处,在出口处再由机械泵抽走。

扩散泵不能单独用来抽气,一般要求泵额最大出口压强为40PA。扩散泵的抽速决定于第一级喷嘴与泵体进气口口径间环形面积的大小,抽速不是一恒定的值,而是随着进气口的压强而变化的,当压强在10-2至10-3PA的时候,扩散泵的抽气速度是最快的,当压强小于5x10-4PA之后,扩散泵的抽气速度最小,几乎没有抽气能力。

低温冷凝泵:它是利用低温表面来凝聚气体分子以实现抽气的一种泵,是目前获得极限真空最高,抽速最大的抽气泵。

冷凝泵的工作原理:主要是低温表面对气体的冷凝作用、冷捕作用及物理低温吸附作用。

低温冷凝:根据各种气体的特性,采用液氦或者冷循环氦气冷却。

冷捕集:不可凝气体被可凝气体捕集的现象,通常二氧化碳、水蒸气、氦气、压气等气体首先形成霜,于低温表面形成吸附层,进而达到吸附其它气体的目的,低温抽除混合气体的效果比抽除单一效果好就是这个原因。

低温吸附:低温表面上的吸附剂吸附气体的作用,由于吸附剂与气体分子之间的相互作用很强,故可达到气相压强比冷凝表面温度下它的饱和蒸汽压还低的水平。吸附剂是活性炭。

真空计:真空计是真空镀膜机器上的重要组成部分,它是检测镀膜机真空度的重要手段。真空计根据其工作原理可以分为绝对真空计和相对真空计,绝对真空计可以直接测量压强的高低,相对真空计只能间接测量真空度。

镀膜机器上常用真空计为:

电阻真空计:主要由电热丝、外壳和支架构成,主要是根据在低压下,气体的热传导系数与压强成正比的方式工作的。上面开口处与被测真空系统相连接,热丝采用电阻温度系数大的金属丝做成,两支支架引线与测量线路连接。当压强降低的时候,由于气体热传导散失的热量减小,因此当热丝加热电流稳定时候,则热丝温度就上升,热丝的电阻就增大,用测量热丝电阻值的大小来间接测量压强。

磁控放电真空计:

工作原理:在放电开始时,由于空间游离电子向阳极运动时,在正交电磁场作用下,电子的轨迹不是直线而是螺旋线前进,又因为阳极是框形,故电子不一定第一次就碰上阳极,而是穿过阳极,然后受到对面阴极的拒斥,又复返回。这样反复多次才可能打上阳极。由于电子路程大大加长,故收到分子数增加,使得在较低压强仍然维持放电。

放电管真空计:玻璃管中封入两个金属电极,在其加上数千伏的直流高电压,在一定的压强范围内就能引起自持放电,通过放电颜色来判定其真空度。

三、蒸发系统

蒸发系统主要指成膜装置部分,镀膜机器的成膜装置很多,有电阻加热、电子枪蒸发、磁控溅射、射频溅射、离子镀等多种方式。

电阻蒸发的工作方式是将钨片做成船状,然后安装在两个电极中间,在钨舟中央加上药材,再缓缓给电极通电,电流通过钨舟,钨舟通电发热,这些低电压,大电流使高熔点的钨舟产生热量,再传导给镀膜材料,当钨舟的热量高于镀膜材料熔点的时候,材料就升华或者蒸发了。

电子枪蒸发可以蒸发任何一种镀膜材料,它的工作方式是将镀膜材料放在坩埚里面,将蒸发源制作成灯丝形状,采用一专门的控制柜,对灯丝加一强电流,高电压,由于灯丝的材料时钨,所以它会发热,到最后会发射电子,再采用一定的磁场将其聚集成一定形状并牵引到坩埚上,这样就形成一股电子束,由于电子束温度非常高,可以熔化任何镀膜药材,当镀膜药材被电子束熔化后,药材的分子在真空中成直线运动,然后遇到基板,就凝结下来,经过这种方式生长,形成薄膜!

电子束蒸发的最大优点在于:电子束的光斑可以随意调整,可以一枪多用,灯丝可以隐藏,避免污染可以蒸发任意镀膜材料,维修方便,蒸发速度可以随意控制,材料分解小,膜密度高。机械强度好。

溅射方式是用高速正离子轰击靶材表面,通过动能传输,令靶材的分子(原子)有足够的能量从靶材表面逸出,在产品表面凝聚形成薄膜。

用溅射的方法制镀的薄膜附着性强,薄膜的纯度高,可以同时溅射多种不同成分的材料,但是对靶材的要求高,不能象电子枪一样节约资源。

目前运用最多的有磁控溅射,磁控溅射是指平行于阴极表面施加强电场,将电子约束在阴极靶材表面附近,提高电离效率。它是操作最简单的一种,所以运用非常广。

四、成膜控制系统

薄膜监控主要有:目视监控,定(极值)值监控、水晶震荡监控、时间监控等等,下面主要介绍目视监控、定(极值)值监控和水晶震荡监控三种。

目视监控也叫直接监控,采用眼睛监控。因薄膜在生长的过程中,由于干涉现象会有颜色变化,就会根据颜色变化来控制膜厚度的,这种方式有一定的误差,不是很准确,需要依靠经验。

定(极值)值监控:主要采用反射式(透过式)光学监控。极值监控法:当膜厚度增加的时候其反射率和穿透率会跟着起变化,当反射率或穿透率走到极值点的时候,就可以知道镀膜之光学厚度ND是监控波长(入)的四分之一的整数倍。但是极值的方法误差比较大,因为当反射率或者穿透率在极值附件变化很慢,亦就是膜厚ND增加很多,R/T才有变化。反映比较灵敏的位置在八分之一波长处。

定值监控法:利用停镀点不在监控波长四分之一波位,由计算机计算在波长一时总膜厚之反射率(或者穿透率)是多少,此即为停止镀膜点。

水晶振荡监控:利用石英晶体振动频率与其质量成反比的原理工作的。但是石英监控有一个不好之处就是当膜厚增加到一定厚度后,振动频率不全然由于石英本身的特性使厚度与频率之间有线性关系,此时必须使用新的石英振荡片。

几种监控方法各有优劣,但通常镀多层膜,会以光学监控为主,石英晶体振荡为辅助的方法。

对于有些在镀膜过程中需要充入气体的还有流量控制计或者压力控制计,这些需要采用精密的阀门和光电传感系统来控制。

在镀膜过程中还需要回转控制系统,就是将伞具的主轴置于轴承里面,然后再利用电机带动轴承,使伞具回转。然后再PLC控制其回转速度。

坩埚回转采用电机带动,光电感应计数的方法,遮药板采用气动开关方式转动。

为了加快抽气速率,达到一定的真空度,还需要对真空腔进行制冷,就是将真空腔里面的空气冷冻到零下130摄氏度,将真空腔里面的水气冷冻并被泵抽走。

电气控制部分主要采用 PLC自动控制,就是先在PLC中输入预先设计好的程序,处理器主电路与操作面板上的各空驶系统相连接,当按下操作面板上的开关的时候,信息传递到中央处理器,再由中央控制系统分析并发出指令由支路执行并完成动作。

镀膜机是集多门学科的设备,它集成了当今工业最先进的机电技术,控制技术、电气自动化、IT 技术制冷技术,微电路集成系统、高压控制系统、机械技术、加工技术、光电技术、光学技术、气动控制技术、光电传感技术、通讯技术、真空技术、薄膜光学与镀膜技术等等。

到今天,镀膜机已经被广泛应用,制镀薄膜尤其广泛,其制作的各种薄膜被应用到各光电系统及光学仪器中,如数码相机、数码摄像机、望远镜、投影机、能量控制、光通讯、显示技术、干涉仪、人造卫星飞弹、半导体激光、微机电系统、信息工业、激光的制作、各种滤光片、照明工业、传感器、建筑玻璃、汽车工业、装饰品、钱币、眼镜片等等,镀膜机器已经与人类的生活紧密联系。

                                                                                                                                                                                                                                                                                         






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